[发明专利]一种亚心形扁藻高密度培养与产氢一体化的制氢方法

说明书

技术领域

本发明设及一种利用海洋微藻产氢的新方法。即：高密度培养和产氢一体化的新工艺。

技术背景

随着近年来对绿藻制氢的深入研究，人们相继发现了很多种具有明显产氢能力的绿藻，如：Scenedesmus obliquus，Chlamydomonas reinhardtii，Platymonas subcordiformis等。与此同时，产氢工艺的研究也取得了很多卓有成效的进展。如：Zhang等发现淡水莱茵衣藻在缺硫连续光照条件下，由于硫元素的缺乏，使半胱氨酸合成受阻，进而导致PS II上的D1蛋白无法及时修复，降低PS II的光化学活性及产氧量。当体系中的产氧速率和呼吸耗氧速率相等时，就造成了一个厌氧的环境，使衣藻的氢酶得以表达，实现连续产氢。管英富等利用解偶联剂CCCP对暗诱导后的海洋亚心形扁藻进行处理，发现CCCP可以起到与淡水绿藻缺硫调控相同的效果，降低PS II的光化学活性及产氧量而不影响呼吸耗氧速率，从而形成厌氧环境，使扁藻氢酶表达，实现连续光照产氢。同时CCCP能够打开类囊体膜上的质子通道，从而使质子大量渗出，为氢酶提供充足的底物，进一步促进产氢。这些从机理水平上提出的产氢新工艺，为绿藻产氢的工业化应用提供了可能。

目前的产氢工艺大都是将微藻培养于摇瓶中，然后于对数生长期收集后，再用于光照产氢。由于摇瓶培养所获得的藻细胞密度低，无法达到产氢要求的最优密度，因此在产氢前需要离心浓缩来达到产氢要求的生物量。该产氢工艺流程复杂，离心浓缩需要消耗额外能量，并且对微藻细胞会产生一定的破坏作用进而降低产氢能力。而利用整合了燃料电池的平板式光生物反应器，进行高密度培养和产氢过程相结合的工艺技术未见报道。

发明内容

本发明研究了一种将微藻高密度培养阶段和光照产氢阶段有机结合的新型产氢工艺。目的是简化现有产氢工艺，为规模化产氢提供技术支持。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

以一种具有光解海水产氢功能的海洋绿藻-亚心形扁藻(Platymonassubcordiformis)为产氢对象，在整合了碱性燃料电池的平板式光生物反应器中，通过富加二氧化碳的方法，在短期内实现扁藻生物量大量积累，进而达到产氢所需的藻密度，此阶段为高密度培养阶段。然后通过气阀调节，使反应器处于密闭状态，并通入氮气使反应器内处于厌氧状态。此状态下的藻液经过4小时的暗诱导后，即可进行连续光照产氢。此阶段即为光照产氢阶段。系统中产生的氢气可被碱性燃料电池所利用转化为电能，同时，氢气的消耗使反应系统中的氢分压较低，可减轻氢气的反馈抑制作用。由于电路中电子数量与氢原子数具有一一对应的关系，因此，通过测量电池外电路电流变化就可计算出体系内氢浓度的变化，进而对整个产氢过程实现实时监控。本发明缩短了微藻培养时间，简化了现有的产氢工艺，实现了微藻培养和光照产氢的一体化。

本实验所建立的一体化光生物反应器系统如图1所示，在微藻的培养阶段，转换阀D为开放态，通过泵C向反应器中泵入空气、CO₂混合气，为藻提供碳源的同时还能够起到搅动藻液的作用；在制氢阶段开放B，以N₂吹扫10分钟，除去反应器中的氧，此时D仍为开放态。接着，关闭B、D，使反应器处于密闭状态。并继续由泵C进行体系内气体的自循环。系统产生的氢气被燃料电池E所消耗，E的电流变化可由监测系统G进行记录。

一种亚心形扁藻高密度培养与产氢一体化的制氢方法，以具有光解海水产氢功能的单细胞海洋绿藻-亚心形扁藻为产氢材料，在平板光生物反应器上外接碱性氢氧燃料电池持续耗氢系统来维持体系内较低氢分压，通过燃料电池的持续耗氢以保持光反应器体系内较低氢分压，消除产物抑制，提高产氢量；进而实现将海洋微藻高密度培养、光解水产氢相结合的实用化的平板光生物反应系统。

具体操作过程为，

1)扁藻接种：于平板光生物反应器中投加康维方培养基，接种处于指数生长期的扁藻，扁藻的接种密度为0.5-1×10⁶cell/mL；

2)扁藻培养：接种后的扁藻先在培养温度为22-30℃，光强为80-150μE/m².s^-1，光暗比为12-14∶10-12的培养条件下适应一天，接着通入2-5％V/V浓度的二氧化碳和空气的混合气，通气量为0.2-1vvm；

3)当平板反应器中的藻密度达到6-10×10⁶cell/mL时，即进行产氢；产氢时，将反应器密封，再通入氮气吹扫10-20分钟，以达到厌氧状态；接着使反应器避光4-12小时进行暗诱导，使扁藻氢酶充分表达；